L’istogramma

istogramma

Tra i vantaggi offerti dalla fotografia digitale c’è sicuramente la possibilità di controllare l’esposizione mediante un grafico che compare sul display della reflex immediatamente dopo lo scatto e, in alcuni casi, anche prima dello scatto. Stiamo parlando dell’istogramma.
Il motivo per cui questo rappresenta un vantaggio è presto detto: mediante l’istogramma riusciamo a interpretare senza errori la distribuzione della luminosità in una foto. Inoltre, bisogna tenere presente che la lettura della foto, così come appare sul display, non sempre è affidabile, in quanto quest’ultimo, oltre ad essere piccolo, è influenzato dalla luce ambientale. Pensiamo alle situazioni di scatto in pieno sole o con luce notturna, la luminosità del display si autoregola in base alla luce presente. Essa si può regolare manualmente ma si tratta pur sempre di un’operazione arbitraria.
In sostanza, avere a disposizione un istogramma aiuta ad esporre correttamente.

Cos’è l’istogramma?
Esistono vari tipi di istogramma. I tre istogrammi più comuni sono: l’istogramma della luminosità, l’istogramma RGB e l’istogramma dei colori.

L’istogramma della luminosità
Partiamo dall’istogramma della luminosità. Si tratta dell’istogramma normalmente utilizzato dalle fotocamere digitali e consiste in una rappresentazione della luminosità della scena. Esso deriva dai valori dei tre colori (Rosso, Verde e Blu), ossia i tre canali RGB, ma calcola una media ponderata di questi tre valori, in quanto il verde assume un peso maggiore nel calcolo di tale media. Questo istogramma genera una rappresentazione molto vicina alla percezione umana di luminosità.

Sull’asse orizzontale del grafico vengono rappresentati 256 toni: dal tono 0 al tono 255, ovvero dal nero puro al bianco puro. Praticamente, ad ogni pixel viene assegnato un valore che va da 0 a 255 in base alla sua luminosità: se il pixel è vuoto, gli viene assegnato il valore 0, viceversa il valore 255; mentre ad un pixel riempito parzialmente, viene attribuito un valore tra 0 e 255.
Sull’asse verticale, invece, troviamo la quantità di pixel corrispondenti ad un tono specifico. Maggiori sono i pixel, più sarà alto il segmento che li rappresenta.
Partendo da questo presupposto, è intuitivo che un istogramma spostato sulla sinistra è indice di sottoesposizione (la luminosità tende allo zero e la quantità di pixel scuri è maggiore rispetto alla quantità di pixel chiari). Sempre per lo stesso concetto, un istogramma troppo concentrato al centro ci dice che la foto è poco contrastata, perché non ci sono pixel alle estremità del grafico. Se l’istogramma, invece, tende ad uscire dai bordi (alcuni pixel “sbordano” dal grafico), vuol dire che alcune zone dell’immagine sono completamente nere o completamente bianche e parte delle informazioni non sono proprio state registrate, ovvero non contengono dati utili (questo fenomeno prende il nome di clipping). I pixel completamente neri o bianchi sono rappresentati da una colonna sottilissima a sinistra o a destra, larga un pixel. In quest’ultimo caso avremo immagini troppo sottoesposte o troppo sovraesposte, con perdita di dati e dettaglio. Se si legge l’istogramma al momento opportuno, si può aumentare o diminuire l’esposizione al momento dello scatto. Se, invece, non abbiamo operato al momento dello scatto, possiamo “cercare” di recuperare la foto con un lavoro di post produzione.
Nel caso in cui un pixel viene colpito da troppi fotoni (le particelle elementari che compongono la luce) e viene riempito tutto lo spazio disponibile, i fotoni fuoriescono e vanno perduti: il valore del pixel rimane 255, senza più variazioni di questo valore.
Altro problema conseguente alla fuoriuscita di fotoni è il cosiddetto fenomeno blooming: i fotoni in eccesso si riversano nei pixel circostanti, causando sovraesposizione e perdita del valore originale. In effetti, il blooming si verifica quando un sensore è esposto a luce estremamente intensa. Questo fenomeno determina la comparsa di parti bianche all’interno dell’immagine con diverse sbavature.
In linea generale, i due problemi che dobbiamo considerare in fase di lettura di un istogramma sono: la mancanza di dati alle estremità e lo sbilanciamento eccessivo verso destra o sinistra (ombre o luci). La mancanza di dati può essere corretta agendo sull’esposizione o utilizzando lo strumento livelli nei programmi di manipolazione delle immagini.
Ora proviamo a spiegare in maniera ancora più semplice il tutto. In un istogramma vediamo rappresentati tre intervalli tonali: le ombre, i mezzitoni e le luci. Le zone più scure dell’immagine descrivono le ombre, le parti intermedie descrivono i mezzi toni e le parti più luminose indicano le luci:

istogramma

A sinistra vengono rappresentati i valori relativi alle ombre, al centro i mezzi toni e a destra le luci. All’estrema sinistra troviamo il nero perfetto (dove i valori dei tre canali, Rosso-Verde-Blu, sono pari a 0), mentre all’estrema destra c’è il bianco perfetto (dove i valori dei tre canali, Rosso-Verde-Blu, sono pari a 255).
Piccola parentesi… RGB è un modello di colori che si basa sui tre colori: rosso (Red), verde (Green) e blu (Blue), da cui appunto il nome RGB; il modello di colori è un modello matematico astratto che permette di rappresentare i colori in forma numerica, tipicamente utilizzando tre o quattro valori o componenti cromatiche (Fonte: Wikipedia).
Maggiore è l’altezza, maggiore è il numero di pixel concentrato in un preciso intervallo tonale.
Una foto con l’esposizione “corretta” ha un istogramma con una forma a campana o a collina, quando la foto è sottoesposta, l’istogramma sarà spostato a sinistra, quando è sovraesposta, sarà spostato a destra.
Se l’istogramma tocca i bordi del lato sinistro e/o destro vuol dire che alcuni dati sono stati persi: le ombre o le luci.
In una foto correttamente esposta l’istogramma è così rappresentato: sia le ombre, sia i mezzitoni, sia le luci contengono dati. C’è una particolare concentrazione di pixel nei mezzitoni ma anche delle discrete informazioni nelle zone molto scure e molto chiare ma non ci sono zone completamente nere o completamente bianche (quindi prive di dati utili, vale a dire l’istogramma non ha picchi negli estremi).
C’è un concetto fondamentale da ricordare: nella “lettura” dell’istogramma bisogna sempre considerare le caratteristiche della scena che si sta inquadrando. Questo vuol dire, ad esempio, che in una foto notturna è normale che l’istogramma avrà una prevalenza di toni scuri, in quanto le zone buie sono appunto predominanti: la foto è correttamente esposta anche se vediamo l’istogramma spostato verso i toni scuri. Oppure, immaginiamo l’istogramma di una foto in cui si è voluto creare l’effetto silhouette: è normale che l’istogramma sarà sbilanciato.
Pensiamo, invece, alla foto di un soggetto bianco: l’istogramma avrà una prevalenza di toni luminosi e quindi risulterà spostato a destra; se, al contrario, risulterà concentrato a sinistra, vuol dire che la foto è sottoesposta perché l’esposimetro è stato ingannato dal soggetto bianco ed ha scelto di acquisire meno luce. Per lo stesso motivo, un soggetto scuro dovrebbe avere un istogramma spostato a sinistra. Tuttavia, l’istogramma non deve mai toccare i bordi, neanche quando il nostro soggetto è molto chiaro o molto scuro, perché questo indica sovraesposizione e sottoesposizione con perdita di dettaglio.
Quindi se, in generale, un istogramma a campana è indice di corretta esposizione, in casi particolari come quelli appena citati non lo è affatto.

L’istogramma RGB
Il sensore della macchina fotografica, come il nostro occhio, riceve i tre colori primari, ossia il rosso, il verde e il blu. Dalla combinazione di questi tre colori vengono riprodotti tutti gli altri colori visibili. Il sensore è formato da tre strati, ognuno sensibile ad uno di questi tre colori. Per questo motivo, è possibile avere tre istogrammi relativi ai colori primari. L’istogramma RGB è, pertanto, la sovrapposizione matematica di questi tre grafici in modo da evidenziare nell’immagine la presenza dei singoli colori. Nei programmi di fotoritocco è possibile anche scomporlo nei singoli canali, in modo da vedere il grafico di ogni colore.

Perché può tornare utile? Possiamo comprenderne l’utilità mettendolo a confronto con l’istogramma della luminosità. Entrambi possono presentare clipping differenti perché ciascun istogramma mostra una sua personale visione della scena inquadrata. Può succedere, ad esempio, che l’istogramma della luminosità presenti un leggero clipping delle ombre mentre quello RGB un clipping più marcato sia di ombre che di luci. Questo dipende dal fatto che l’istogramma della luminosità si basa su una media ponderata dei valori RGB di ogni pixel (verde al 59%, rosso al 30% e blu all’11%), quindi può succedere che un clipping del colore rosso o blu, magari poco pesante, non venga evidenziato.

L’istogramma dei colori
L’istogramma dei colori permette di analizzare i tre colori primari e le loro sovrapposizioni su un unico grafico ed è l’istogramma usato in Camera Raw e in Lightroom:

istogramma colori

La zona grigia rappresenta la sovrapposizione dei tre colori RGB e, quindi, si riferisce alla luminosità dell’immagine. Sono rappresentate poi le zone relative ad ogni singolo colore e, quando due canali colore si intersecano, l’istogramma mostra i colori secondari:

– ciano (B + G)
– magenta (R + B)
– giallo (R + G)

Se nella lettura di tale istogramma troviamo un canale colore o quello di un colore secondario che ha sbordato dal grafico, vuol dire che ci sono dei valori in cui quel colore ha perso le sue informazioni.

Cerchiamo ora di approfondire l’argomento.
Una definizione più precisa di istogramma è questa: l’istogramma della luminosità è la rappresentazione della gamma tonale di un’immagine.
Ma cos’è la gamma tonale? Il concetto di gamma tonale (Tonal Range) è strettamente e direttamente correlato a quello di gamma dinamica (Dynamic Range).
La gamma dinamica è il rapporto tra il massimo segnale e il minimo segnale che un sensore può registrare, senza perdere dettagli nelle zone estreme. Per segnale intendiamo il segnale elettrico che i pixel emettono: dobbiamo immaginare il pixel come un recipiente in grado di accumulare i fotoni, vale a dire le particelle elementari che compongono la luce. I pixel sono dotati di un diodo fotosensibile (componente elettronico) che converte questa energia luminosa in un segnale elettrico. Per minimo segnale intendiamo quello di un pixel vuoto, ossia un pixel non colpito da luce (aspetto legato al livello di rumore digitale); per massimo segnale intendiamo il segnale trasmesso da un pixel colpito pienamente dalla luce e che ha accumulato il massimo dei fotoni. Il rapporto tra questi due valori costituisce la gamma dinamica. Quindi, anche il pixel vuoto trasmette un segnale elettrico.
Altre definizioni di gamma dinamica:
– la gamma dinamica descrive il rapporto tra la massima e la minima intensità luminosa misurabili nell’immagine, cioè la massima differenza di luminosità tra luci e ombre che il sensore riesce a registrare in modo efficace;
– la gamma dinamica è il rapporto fra la luce più forte e quella più debole percepibile;
– la gamma dinamica è la capacità dei sensori di catturare dettagli nelle zone in ombra e nelle zone molto luminose di una determinata scena, registrando comunque dettagli e informazioni leggibili ed utilizzabili;
– la gamma dinamica è la capacità di riprodurre più dettaglio possibile dal nero più nero al bianco più bianco.
Maggiore è la gamma dinamica, maggiore è la capacità del sensore di immagazzinare dettaglio contemporaneamente nelle luci e nelle ombre.
Incrementare la capacità di ogni pixel, in modo che accumuli un maggior numero di fotoni, significa aumentare la gamma dinamica. Questo è uno dei modi per aumentarla e, in questo caso, interviene l’elettronica in quanto la tecnologia può aumentare la capacità del sensore perché catturi un intervallo di luce più ampio. Un modo per aumentare la gamma dinamica della foto, non quella del sensore, è quello di intervenire, invece, con dei programmi di post produzione, sfruttando tecniche come l’HDR (fondere più immagini con diverse esposizioni), usare le curve, i livelli o utilizzare filtri fotografici al momento dello scatto per compensare le alte luci.
Seguendo un ragionamento deduttivo, la riduzione del rumore digitale va nella direzione dell’aumento della gamma dinamica.
Maggiore gamma dinamica significa anche maggiore possibilità di recupero in post produzione. Naturalmente conta anche l’ottica per ottenere un buon risultato ad una determinata sensibilità.
Conta, inoltre, la dimensione del sensore perché, siccome la luce viene catturata dai fotositi (diodi fotosensibili), la dimensione di questi ultimi incide pesantemente sulla gamma dinamica: un fotosito più grande può contenere un maggior numero di fotoni. Ecco perché la gamma dinamica delle digitali full-frame è più alta rispetto alle digitali APS-C e rispetto alle compatte. Invece, a parità di sensore, un sensore con meno pixel ha una gamma dinamica superiore rispetto a un sensore con più pixel perché, dovendo inserire più pixel su una stessa superficie, se ne riduce la dimensione per aumentare il numero di pixel introdotti.
Su un piano pratico, invece, possiamo dire che se si espone sui toni medi, si ottiene una gamma dinamica molto più ampia a confronto di un’esposizione sulle luci.
L’unità di misura della gamma dinamica è lo stop. La situazione attuale (2015) in termini di stop è questa: la massima gamma dinamica che un sensore digitale riesce oggi a raggiungere è di circa 14 stop (pensiamo, ad esempio, alla Nikon D810 che sfiora i 15 stop con il suo risultato di 14,8 EV). Resta comunque una gamma dinamica inferiore a quella dell’occhio umano che è di ben 24 stop.
In conclusione, aggiungiamo una nota sulla relazione tra gamma dinamica e sensibilità iso. All’aumentare della sensibilità ISO, diminuisce la gamma dinamica: il risultato sarà quello di avere ombre chiuse o luci bruciate, senza dettagli. Per capire il motivo di questa riduzione di gamma dinamica, riprendiamo la discussione sul funzionamento del sensore: ogni suo pixel è in grado di memorizzare dei valori definiti che vanno da 0 a 255. Mettiamo per ipotesi che il sensore lavori al meglio a ISO 100: questo significa che ogni pixel sarà in grado di registrare 256 valori. Ora, supponiamo di raddoppiare la sensibilità ISO. Di conseguenza, il sensore raddoppia anche il valore registrato. Esempio: se il valore memorizzato a ISO 100 è 1, lo stesso valore a ISO 200 è 2; se il valore è 3 diventa 6 e così via… Ogni valore superiore a 128 risulterà 256, ovvero un pixel totalmente bianco. Ovviamente, i sensori attuali hanno una capacità superiore a 256 e sono in grado di ricostruire parte dell’informazione e questa ricostruzione è anche la causa del rumore digitale. In linea generale, è chiaro che un sensore full-frame è capace di gestire valori ISO più alti senza perdita percettibile di dettagli in molte situazioni.
Un altro modo per comprendere il motivo per cui c’è questa relazione inversa tra ISO e gamma dinamica è il seguente: partiamo dal concetto di sensibilità nativa del sensore. Ogni sensore possiede una sensibilità “nativa” di solito equivalente a valori di ISO tra 50 e 200 (fare riferimento al proprio modello di fotocamera). Cosa significa? Significa che a quella sensibilità il sensore lavora senza amplificare il segnale elettrico, quindi senza alterarlo. E’ per questo motivo che utilizzare la sensibilità nativa garantisce immagini più nitide e meno disturbate.
Ricordiamo anche che ogni fotosito ha delle caratteristiche fisiche specifiche e, quindi, al variare del valore ISO, la sua capacità di raccogliere luce e trasformarla in un segnale elettrico, non cambia. Quello che avviene è, invece, un’amplificazione di questo segnale quando viene cambiato il valore ISO. Per cui, per fare un esempio, se a ISO 200 (sensibilità nativa) possiamo distinguere dei valori di luminosità che vanno da 0 a 100000, portando il valore a ISO 800 (ossia il triplo), riusciremo a distinguere solo un terzo della gamma iniziale, cioè da 0 a 266,666… perché il resto è segnale amplificato. Tali valori sono solo a scopo di esempio perché il calcolo non è così lineare.
La gamma tonale
Molto spesso il concetto di gamma tonale viene confuso con il concetto di gamma dinamica. Sono due concetti collegati ma non sono sinonimi. La gamma dinamica “contiene” la gamma tonale, quindi la gamma tonale “riempie” la gamma dinamica. Perché usiamo il verbo “riempire”? Perché la gamma tonale è l’insieme delle gradazioni di toni che vanno dal nero puro al bianco puro, grazie ai quali la scena viene riprodotta.
Quindi, per gamma tonale intendiamo le molte gradazioni di grigio o, meglio, una gamma di sfumature intermedie tra il tono più scuro e il tono più chiaro di un’immagine… Gamma di sfumature che è necessaria a descrivere la gamma dinamica. Dunque, possiamo dire che quando parliamo di gamma tonale ci riferiamo alla gamma dei livelli di luminosità in un’immagine.
Si traduce, in pratica, nel numero di sfumature che ciascun colore primario può assumere.
gamma tonale
Tale quantità di toni registrati dipende da diversi fattori tra cui: le caratteristiche della scena fotografata e la capacità del sensore di registrarli. È possibile, tuttavia, allargare la gamma tonale in post-produzione e sfruttando tecniche come l’HDR (che, appunto, sta per ampia gamma dinamica, High Dynamic Range).
In linea generale, maggiore è la capacità del sensore nel registrare le infinite sfumature presenti nella scena, maggiore sarà la resa cromatica della nostra fotografia. E un sensore full-frame, che possiede fotodiodi più grandi, ha una maggiore capacità di catturare dati rispetto a un qualsiasi altro sensore di dimensioni inferiori e quindi con fotodiodi più piccoli.
Gamma dinamica del sensore e gamma dinamica della scena
Ora che abbiamo affrontato questo argomento, possiamo comprendere come l’istogramma sia un ottimo strumento per scoprire se in un dato momento stiamo sfruttando al meglio la gamma del sensore.
Possiamo rispondere ad esempio a domande del tipo: cosa significa raggiungere una gamma dinamica di 14 stop? Significa che la fotocamera sarà in grado di esporre correttamente scene in cui la differenza di luminosità tra alte luci e ombre non sia maggiore di 14 stop.
Cosa succede se la gamma dinamica della scena è superiore a quella del sensore? Ci sarà una perdita di dettaglio sia nelle alte luci che nelle ombre (clipping). Per correggere questa situazione possiamo effettuare foto con esposizioni diverse e poi fonderle con tecniche come l’HDR (High Dynamic Range) o il Dri (Dynamic Range Increase). In questi casi, infatti, non c’è esposizione che regga: le luci risulteranno bruciate e/o le ombre chiuse. Quindi qualcosa viene perso e, se non si vuole intervenire con la tecnica delle diverse esposizioni, è opportuno riflettere su cosa è preferibile perdere, in base al soggetto principale.
E se la gamma dinamica della scena è inferiore a quella del sensore? Si può ottimizzare la gamma dinamica della foto scegliendo di “esporre a destra”, in modo da raccogliere più dettagli possibili, anche se l’esposizione del soggetto principale ne può risentire e questo non è un bene in diverse situazioni. Vedremo la tecnica dell’esposizione a destra in un prossimo articolo, per adesso ci basti sapere che si ottiene compensando l’esposizione con un valore positivo, in modo da avere l’istogramma spostato sulla destra. Oppure, se stiamo scattando in modalità manuale, invece di usare la compensazione, per esporre a destra possiamo diminuire di uno stop il diaframma oppure aumentare il tempo di scatto o la sensibilità ISO.
La lettura dell’istogramma, dopo aver approfondito questi concetti, diventa più precisa: se l’istogramma occupa tutto lo spazio, da sinistra a destra, possiamo affermare che la foto utilizza l’intera gamma tonale. Se invece l’istogramma non utilizza tutta la gamma tonale, l’immagine può risultare piatta, senza contrasto, vi è assenza di toni molto scuri e di toni molto chiari. Un istogramma con picchi a una delle estremità rappresenta una foto in cui si verifica il ritaglio di ombre o alte luci, con conseguente perdita di dettagli.
Anche lo schermo ha una sua gamma dinamica e anche l’occhio ovviamente ne ha una sua e può percepire più dettagli in scene con forti differenze di luminosità.
Cosa succede se il sensore ha una gamma dinamica superiore a quella del monitor? La risposta che viene spesso data è che la parte eccedente viene tagliata. In realtà non è così. Abbiamo detto che la gamma dinamica è il rapporto tra il valore massimo e il valore minimo di luminosità. Quindi succederà che il valore massimo possibile che il sensore ha registrato (bianco) verrà tradotto nel valore massimo possibile del monitor, analogamente per il valore minimo del sensore (nero) che viene tradotto nel valore minimo del monitor. Quella che varia è la distanza tra questi due valori e, di conseguenza, la gamma tonale ossia le possibili gradazioni di grigio che riempiono questo spazio. L’intera gamma dinamica del sensore quindi viene “compressa” in quella del monitor. Mentre un monitor più performante ci consentirà di distanziare maggiormente massimo e minimo e apprezzare più sfumature.
Come si misura la gamma dinamica di una scena?
Per facilitare il calcolo si imposta ISO e diaframma su un valore fisso. Quindi, si legge l’esposizione della zona più scura, poi di quella più chiara e il rapporto tra questi due valori corrisponderà alla gamma dinamica della scena inquadrata. Utilizziamo l’esposimetro interno della fotocamera e scegliamo la modalità di misurazione spot.
Facciamo un esempio pratico.
1) Fissiamo il valore ISO a 200 e il diaframma a f/11.
2) Utilizziamo la misurazione spot e calcoliamo l’esposizione nella zona più scura della scena. Ipotizziamo che il tempo consigliato è 1/2.
3) Utilizziamo la misurazione spot e calcoliamo l’esposizione nella zona più chiara della scena. Ipotizziamo che il tempo consigliato è 1/500.
4) Tra 1/500 e 1/2 calcoliamo quanti spot ci sono. Quindi 8EV:
1/2-1/4-1/8-1/15-1/30-1/60-1/125-1/250-1/500
La gamma dinamica della scena è di 8EV.
La differenza tra le due aree, o estensione della gamma dinamica, è un intervallo di 8 stop.
Nota finale sulla gamma dinamica
Parlando di sensori digitali, una gamma dinamica più ampia viene apprezzata ovviamente nelle situazioni in cui c’è molta differenza tra le zone di ombra e di luce, altrimenti vengono sacrificate troppe ombre o bruciate molte zone di luce e viene ridotta la capacità di recupero di ombre e luci.
Finché il range di luminosità della scena è registrabile da un sensore, non si noteranno notevolmente le differenze tra un sensore che ha una gamma dinamica maggiore ed uno che ne ha una più limitata.Abbiamo visto come si può ovviare al problema di una gamma dinamica non molto ampia mediante la tecnica dell’HDR. Chi vuole limitare al massimo tecniche tipo quella citata e catturare, con un solo scatto, le differenze di luce di certo preferirà un sensore con una gamma dinamica maggiore.

SINTESI

PARTE 01

istogramma

PARTE 02

istogramma

PARTE 03

gamma dinamica e gamma tonale

PARTE 04

gamma dinamica

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